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3D Drucker Filament für Schmelzschichtverfahren


3D-Druck: Kurzer Überblick

Mit 3D-Druckern ist es möglich, eigene dreidimensionale Objekte wie Spielzeuge, Schmuck oder Teile für den Modellbau selbst herzustellen. Größere, komplexere oder mechanisch belastbare Objekte mit perfekten Oberflächen und Krümmungen sind mit professionellen 3D-Druckern herstellbar.

Die Parameter Geschwindigkeit und Auflösung spielen bei 3D-Druckern eine ebenso wichtige Rolle wie bei ihren 2D-„Geschwistern“. Darüber hinaus ist ein weiterer Faktor essentiell für das Druckergebnis: Welche Materialien werden verwendet und wie können sie verarbeitet werden?

Derzeit gibt es grundsätzlich drei 3D-Drucktechniken, die sich im verwendeten Ausgangsmaterial und der Modellierungstechnik unterscheiden:

  • 3D-Druck mit Pulver
  • 3D-Druck mit flüssigen Materialien
  • 3D-Druck mit geschmolzenen Materialien (Schmelzschichtverfahren)

 

Das Grundprinzip ist immer gleich: Die Daten für den Druck entstammen einer 3D-Vorlage, die mit CAD-Software entworfen oder mittels eines 3D-Scanners erzeugt werden kann. Diese Dateien enthalten sehr umfangreiche Informationen und sind unter Umständen mit separaten Bild- oder Vektordaten angereichert. Nach Erstellung des Objekts findet das Slicing statt, bei dem die optimale Fahrbahn für den Druckkopf berechnet wird. Dabei wird eine G-Code-Datei erstellt, mit der der 3D-Drucker per Schnittstelle „gefüttert“ wird. Das Modell wird dann aus den oben genannten Medien aufgebaut. 


Was sind 3D-Drucker-Filamente?

Das am weitesten verbreitete Verfahren mit geschmolzenen Materialien ist das „Fused Deposition Modeling“ (Abkürzung FDM, auf Deutsch „Schmelzschichtung“) . Dabei werden Materialien in Fadenform (Englisch „filament“) verwendet, die durch Erhitzung formbar werden. Das können thermoplastische Kunststoffe wie ABS, PVA, PET und Nylon, aber zum Beispiel auch Metalle und Wachs sein. In der Druckerdüse wird das Material erhitzt und somit verflüssigt. Dann wird es auf eine Ebene an bestimmten Stellen nach den Vorgaben der Druck-Datei aufgetragen – vergleichbar mit einem Tintenstrahldrucker, der Farbe auf das Papier sprüht, wenn ein Element dargestellt werden soll. Während des Auftragens verschmelzen die Schichten und härten beim Abkühlen aus. So entsteht Schicht für Schicht das gewünschte Objekt.

Ein Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass das Modell nicht schnell genug aushärtet, sodass sich Teile des Modells verziehen können. Dies geschieht beispielsweise, wenn der Drucker bei Hohlräumen oder Überhängen "ins Leere" drucken müsste. Auch wenn man dem Objekt zu wenig Zeit zum Abkühlen lässt, kann es sich verformen.
Deshalb kommen häufig Stützkonstruktionen zum Einsatz. Nutzt man einen 3D Drucker mit Dual Extruder, können diese Stützen aus speziellem Filament wie HIPS hergestellt werden, das mithilfe von Wasser oder Limonene leicht vom fertigen Objekt entfernt werden können. Bei Druckern mit nur einem Druckkopf bestehen die Stützkonstruktionen aus dem gleichen Material wie das Druckmodell und müssen mechanisch entfernt werden. 

Wichtige Vorteile für die Verwendung von 3D-Drucker-Filamenten sind eine geringe Schrumpfung bei Abkühlung und gute thermische Eigenschaften, repräsentiert durch die Wärmeformbeständigkeitstemperatur mit der Abkürzung HDT („Heat Deflection/Distortion Temperature“).

Es gibt eine Vielzahl an Filamenten für den 3D-Druck, zum Beispiel das vielseitig verwendbare synthetische Polymer PLA, sehr belastbares und hitzebeständiges ABS, Spezialfilamente wie Laybrick und Laywood aus Sandstein- beziehungsweise Holzpartikeln, Filamente mit Metallanteil (wie Kupfer, Messing und Bronze), Harz-Filamente sowie thermoplastisches Elastomer (TPE). 


Wie finde ich das richtige 3D Drucker Filament?

Beim Kauf von Filamenten sollte man folgende Kriterien beachten:

 

Filament-Material:

Wer die Wahl hat, hat die Qual: Es gibt rund 20 verschiedene Kunststoffe und Material-Verbindungen (Compounds). Hier finden Sie alle gängigen Kunststoffe wie ABS und PLA und deren Kombinationen (Compound), Harze, das innovative Material BendLay sowie fotosensitive Materialien.

Grundsätzliche Fragen vor der Auswahl des Filaments: 

  • Lässt sich nur Filament des gleichen Herstellers drucken?

Manche Hersteller verhindern mittels eingebautem Chip die Verwendung von Filamenten anderer Marken. Manchmal beschränkt die Größe des Filamentschachts auch die Freiheit der Filamentwahl, da nur Spulen mit einer bestimmten Größe eingesetzt werden können. 

  • Auf welche Temperatur kann der Drucker das Filament erhitzen?

In der Regel erhitzen 3D Drucker das Filament auf einer Temperatur bis 260 Grad Celsius. Das reicht für alle gängigen Filament-Arten. Allerdings gibt es auch spezielle Materialien, die auf ca. 400 Grad Celsius erhitzt werden müssen. Dazu sind entsprechende 3D Drucker nötig.  

  • Ist das Druckbett beheizbar?

Ist das Druckbett nicht beheizbar, eignen sich beispielsweise Filamente wie PET oder Elastic zum 3D Druck. Beheizbare Druckbetten ermöglichen eine weitaus größere Auswahl, beispielsweise ABS, PETG oder Polycarbonat. Bei anderen Filamenten ist das Ergebnis sowohl mit als auch ohne beheizbares Druckbett gut. Dazu gehört PLA. 

  • Welche Stärke muss das Filament haben? 

Es gibt Filamente in den Stärken 1,75 mm, 2,85 mm und 3 mm. Die meisten Extruder können nur eine Variante verarbeiten. 

 

  • Was soll gedruckt werden?

Je nach Verwendungszweck ist ein Druckobjekt stabil, biegsam, besitzt kleine Details oder eine komplexe Geometrie. Da die Filament-Materialien über verschiedene Eigenschaften verfügen, eignet sich nicht jedes Material für jedes Objekt.

Filamente im Überblick:

In der folgenden Tabelle werden die gängigsten Filamente mit ihren grundlegenden Eigenschaften aufgeführt: 

Material Eigenschaften Verwendung Temperatur beim Druck
(in °C)
Temperatur des Druckbetts
(in °C)
ABS hitzebeständig, schlagfest, kratzfest, Nachbearbeitung möglich mechanische Funktionsmodelle 220 - 260 50 - 100 
ASA witterungsbeständig, UV-beständig, stabil, Nachbearbeitung möglich  im Außenbereich, technische Bauteile 240 - 260 100 - 120
BendLay belastbar, durchscheinend, biegsam, lebensmittelecht Gebrauchsgegenstände, Behälter 215 - 240 80 - 90
HIPS wasserlöslich, leicht, schlagzäh Gebrauchsgegenstände, Stützstrukturen beim 3D Druck 220 - 270 50 - 100
PETG flexibel, stabil, einsteigerfreundlich, lebensmittelecht Gebrauchsgegenstände, mechanische Bauteile  230 - 265 70 - 80, aber Aufheizen nicht zwingend nötig
PLA umweltschonend, einsteigerfreundlich, lebensmittelecht Konsumgüter, Verpackung, Gehäuse-/Bedienungsteile 190 - 220 50 - 60, aber Aufheizen nicht zwingend nötig
PVA wasserlöslich, umweltschonend Stützstrukturen beim 3D Druck  180 - 220 50 - 60, aber Aufheizen nicht zwingend nötig
TPE sehr flexibel, gummiartig, witterungsbeständig elastische Teile, Konsumgüter, Halterungen 210 - 235 40

Filament-Farbe:

Hier herrscht eine große Vielfalt an RAL-Farben, aber auch durchsichtige, durchscheinende und fluoreszierende Ausführungen sind erhältlich. Darüber hinaus finden sich Filamente, die Holz, Sandstein und verschiedene Metalle enthalten und diesen in ihrer Farbe und Struktur täuschend ähnlich sehen.


Filament-Durchmesser:

Der Faden weist einen Durchmesser von 1,75 oder 2,85 oder 3 Millimeter auf. Welcher Durchmesser die richtige Wahl ist, hängt hauptsächlich vom Druckkopf ab. Je nach Ausführung kann der 3D Drucker nur eine bestimmte Filamentstärke verarbeiten, um ein optimales Durckergebnis zu erzielen.
Fäden mit einem Durchmesser von 1,75 mm können feinere Strukturen herstellen. 

Filamentdurchmesser von 2,85 oder 3 mm sind für Gebrauchsgegenstände geeignet, die ruhig etwas robuster sein dürfen. Dies gelingt durch die dickere Wandstärke und das bessere Ineinanderlaufen der einzelnen Schichten, da das Filament langsamer aushärtet.

Aber: Nicht nur die Filamentstärke ist entscheidend. Der Düsendurchmesser hat ebenfalls einen Einfluss auf die Feinheit des Druckobjekts. 


Was ist beim Umgang mit 3D-Drucker-Filamenten zu beachten?

Der 3D Druck ist ein anspruchsvolles technisches Verfahren. Das betrifft nicht nur die allgemeine Sicherheit beim Umgang mit 3D Druckern, insbesondere mit erhitzten Bauteilen wie Druckplatte, Extruder und Filament. Das erhitzte Druckerfilament kann feinste Partikel und reizende Gase freisetzen, die zur Reizung von Augen und Atemwegen führen können. Deshalb empfiehlt sich das Arbeiten in gut belüfteten Räumen. In manchen 3D Druckern ist ein HEPA-Filter verbaut, der vor diesen Partikeln schützt. 

Wenn Personen in Kontakt mit den Drucker-Materialien beziehungsweise daraus entweichenden Dämpfen oder Partikeln kommen, sind Maßnahmen der Ersten Hilfe zu ergreifen. Wichtige Maßnahmen sind unter anderem:

  • Bei Inhalation: Betroffene Person sollten sofort an die frische Luft gebracht werden. Bei Bedarf Sauerstoff verabreichen oder künstliche Beatmung durchführen. Schnelles Handeln ist essenziell.
  • Bei Hautkontakt: Kontaminierte Kleidung entfernen und die Haut gründlich mit milder Seife und Wasser abwaschen. 15 Minuten lang mit lauwarmem Wasser spülen. Bei Klebrigkeit zunächst einen wasserlosen Reiniger verwenden. Bei Unwohlsein oder Irritationen des Betroffenen einen Arzt aufsuchen.
  • Bei Augenkontakt: Bei Augenkontakt sofort 20 bis 30 Minuten mit klarem Wasser ausspülen. Augenlider häufig zurückziehen.
  • Bei Verzehr: Falls eine größere Menge verschluckt wurde, lauwarmes Wasser zu trinken geben, falls sich die Person bei vollem Bewusstsein befindet. Kein Erbrechen herbeiführen. 

Die Lagerung der Filamente sollte in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich erfolgen, damit die gewünschten Produkteigenschaften erhalten bleiben. Damit das Filament nicht feucht wird, empfiehlt es sich, das Material zusammen mit einem Beutel mit Trockengranulat in einer verschließbaren Box zu lagern. Tritt dennoch Feuchtigkeit ein, gibt es spezielle Entfeucher, die Abhilfe schaffen können. 


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